Насекомые и пестициды.

Сельское хозяйство, один из столпов цивилизации, – это цикл культивирования и роста, завершающийся поеданием человеком того, что он вырастил. Но у нашего урожая есть и другие потребители, которым он весьма по душе. Из-за вредителей мы теряем от 10 до 40 % выращиваемого растительного пищевого сырья. Его потребляют грибы и грызуны, но наибольший урон сельскому хозяйству наносят насекомые.

Бороться с насекомыми-вредителями с помощью химических средств пытаются уже не один век, но благодаря достижениям последнего столетия между человеком и насекомыми разгорелась настоящая гонка вооружений. И пока нельзя сказать, что насекомые проигрывают, потому что за это время более чем у 500 видов выработалась устойчивость к одному или более пестицидам.

Устойчивость насекомых к пестицидам отчасти вызвана способом применения химических веществ. Давайте рассмотрим девственное поле, где еще ни разу не распыляли пестициды. Первое использование убивает значительную часть чувствительных к пестицидам насекомых, и благодаря этому урожай повышается. Увеличивая количество пестицидов, можно убивать больше насекомых, и урожай продолжит увеличиваться. Однако зависимость не линейна, так как в определенной точке дальнейшее увеличение количества применяемых пестицидов начинает давать лишь незначительный прирост урожая. На этом этапе дальновидный фермер перестает использовать пестициды, потому что затраты становятся неоправданными.

Пестициды убивают в первую очередь тех особей, которые более чувствительны к ним, а выживают, по логике вещей, те, у которых есть генетические предпосылки для устойчивости. Если в определенном регионе все чувствительные к яду особи исключаются из популяции, более устойчивые особи скрещиваются друг с другом и увеличивают свою численность, изменяя генофонд популяции. Именно по этой причине так важно наличие в сельскохозяйственных регионах природных буферных зон и прочих некультивируемых ландшафтов, которые позволяют вредителям, чувствительным к ядам, размножаться и сохранять свои гены. Так что, как это ни парадоксально, эффективный метод контроля популяций вредителей обеспечивает сохранение в их генофонде генов, обеспечивающих особям чувствительность к химикатам. Если эти гены удаляются из общего пула, то остаются только те, что обеспечивают устойчивость, и вся популяция, к великому огорчению фермера, становится устойчива к пестицидам.

Пестициды подчиняются правилам абсорбции, описанным в главах 4 и 5. Токсичные молекулы движутся к рецептору, пытаясь соединиться с ним, а клеточные механизмы защиты стараются предотвратить это событие. Существует как минимум два основных способа, которые использует для этого клетка, и развитие устойчивости к пестицидам у насекомых может быть связано с обоими. Первая стратегия – изменить рецептор так, чтобы токсичное вещество не могло с ним связаться. Вторая – задействовать внутриклеточные белки так, чтобы превратить пестицид в относительно безопасный метаболит или же снизить чувствительность к нему ткани-мишени.

При любом механизме, по которому идет отбор, развитие устойчивости продолжает давать неожиданные результаты. Например, ученые предполагали, что изменения в физиологии и молекулярной биологии насекомых, обеспечивающие выживаемость особей, должны быть эфемерны, так как селективное преимущество реализуется только при наличии конфронтации с пестицидами. Так действительно бывает часто, но не всегда. Например, у австралийской овечьей мухи (Lucilla cuprina) гены, обеспечивающие устойчивость к малатиону, были обнаружены даже у мух, пойманных до начала применения этого инсектицида, но при этом генов устойчивости к диазинону (другому фосфорорганическому пестициду) обнаружено не было. Возможно, эти мутации дают мухам другие преимущества, однако если генетические предпосылки устойчивости к пестицидам присутствуют у мух даже при отсутствии пестицидов и передаются последующим поколениям, значит, эта мутация не оказывается для насекомых невыгодной в энергетическом смысле.

Антибиотики и бактерии.

Антибиотик – это лекарство, которое убивает микроорганизмы или подавляет их рост, в то же время не являясь летальным для человека или других животных. Исторически различали две группы антибактериальных средств: синтезируемые лабораторно (например, первые поступившие в продажу сульфамидные препараты) и производимые живыми организмами (например, пенициллин). Сегодня большинство антибиотиков – это производные природных веществ, которые были выделены в чистом виде и сейчас синтезируются промышленно, поэтому граница между природными и искусственными антибиотиками фактически стерлась.

Антибиотики произвели революцию в медицине, так как с их помощью удается контролировать многие инфекционные заболевания. Во время Гражданской войны в США более 70 из каждой тысячи солдат умирали от инфекций. Примерно через 80 лет, во время Второй мировой, уровень смертности от инфекционных заболеваний снизился до менее 1 на 1000. Это исключительное повышение выживаемости во многом объяснялось именно началом широкого применения пенициллина и других антибиотиков.

История пенициллина очень интересна. Его антибактериальные свойства были впервые открыты случайно Александром Флемингом в 1928 г.[13] До 1941 г. к пенициллину относились как к любопытной научной новинке, пока целая сеть лабораторий в США не объединили усилия по исследованиям возможностей его производства. В течение пяти лет производство пенициллина прошло путь от грубой лабораторной методики, дававшей очень низкий выход продукта, до серийного выпуска путем ферментации с применением индустриальных технологий. До 1941 г. в лабораториях получали лишь очень малое количество плохо очищенного пенициллина; к концу Второй мировой войны объем производства вырос до 4 млн стерильных упаковок в месяц.

Уже тогда, когда антибиотики только начинали широко применяться, устойчивость микроорганизмов не сильно отставала от достижений медицины. При долговременном (более 10 дней) использовании какого-то одного антибиотика у бактерий успевал произойти отбор на устойчивость не только к этому, но и к похожим препаратам. Но даже без долговременного применения устойчивость в больничных условиях вырабатывалась в достаточно короткие сроки. Например, в 1930-е гг. в военных госпиталях стали появляться устойчивые к сульфамидам штаммы бактерий, а в гражданских больницах Лондона в 1940-е гг. обнаружился устойчивый к пенициллину стафилококк. Именно быстрая выработка бактериями устойчивости стала одной из движущих сил для изобретения новых антибиотиков. В 1959 г. в ответ на устойчивость бактерий к пенициллину появился метициллин. Ванкомицин, антибиотик с возможным токсичным побочным действием, впервые появился в продаже в 1958 г., но наиболее широко начал применяться в 1980-е гг., после появления устойчивого к метициллину Staphylococcus aureus и устойчивого к пенициллину Streptococcus pneumoniae. Бактерии вырабатывают устойчивость с поразительной скоростью. Так, например, когда в начале 1950-х гг. в качестве альтернативы пенициллину стал применяться эритромицин, менее чем через год от него пришлось отказаться из-за выработки S. aureus очень сильной устойчивости к нему.

Способность бактерий вырабатывать устойчивость к антибиотикам не ограничивается больницами и прочими медицинскими учреждениями, так как антибактериальные средства находят все более широкое применение и в других сферах. Точное количество антимикробных препаратов, используемое в мировом животноводстве для лечения и стимулирования роста скота, неизвестно, поскольку подобная статистика ведется всего в нескольких странах мира. Тем не менее, по оценкам ВОЗ, по крайней мере половина антибиотиков, производимых в мире, используется не в человеческой медицине, а в сельском хозяйстве. Учитывая условия промышленного животноводства, где тысячи животных вынуждены существовать в ограниченном пространстве, добавление антибиотиков в корма очень быстро порождает устойчивость кишечных микроорганизмов скота и тех бактерий, которые обитают в стоках с ферм. К примеру, от начала применения тетрациклина на птицефабриках до обнаружения в экскрементах птиц кишечных бактерий с устойчивостью к целому ряду антибиотиков проходит лишь несколько недель.

Скорость развития устойчивости к антибиотику зависит от плотности его применения – то есть от количества препарата, существующего в данном географическом регионе. Как уже отмечалось, список возглавляют больницы, где скорость выработки микроорганизмами устойчивости к антимикробным лекарствам просто умопомрачительна. Антибиотики обычно устойчивы к биотрансформации и могут сохраняться в среде долгое время после того, как были выведены из организма человека или животного, которые его принимали. Поэтому антибиотики обнаруживаются в сточных водах и там, где осадки из стоков и навоз животных используются для удобрения.